基于逾滲理論的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)管路接頭密封性能研究

金輝 趙有磊 尚現(xiàn)偉 金平 蔡國(guó)飆

(1 北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 102206；2 北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

0 引言

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)管路接頭的密封問(wèn)題屬于靜密封的研究范疇，靜密封的定義為密封界面不存在明顯的相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)[1]。密封部位發(fā)生泄漏將給火箭帶來(lái)巨大安全隱患，2010年發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)的氫燃料排放管路發(fā)生泄漏導(dǎo)致發(fā)射推遲[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪泵端面密封、閥門、管路接頭和法蘭等零組件中采用了靜密封方式來(lái)阻止介質(zhì)發(fā)生泄漏。在預(yù)緊力的作用下，如圖1所示的待密封兩表面之間發(fā)生接觸，從而形成靜密封區(qū)域。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的靜密封結(jié)構(gòu)面臨著諸多挑戰(zhàn)：密封部位處于多場(chǎng)耦合作用狀態(tài)，介質(zhì)溫差大、壓力高和結(jié)構(gòu)振動(dòng)等[3]，這些復(fù)雜的載荷條件加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)靜密封失效的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的靜密封結(jié)構(gòu)[4]，1-法蘭端面,2-墊片,3-接頭體,4-螺母,5-接頭,6-活門,7-靜環(huán), 8-墊圈,9-彈簧10-殼體,11-活門 Fig.1 Liquid rocket engine turbo pump components and valves

大量研究對(duì)靜密封結(jié)構(gòu)的接觸過(guò)程開(kāi)展數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)，獲得密封面的接觸壓力、接觸面積和接觸長(zhǎng)度，并且以此作為密封性能判斷準(zhǔn)則。韓沖[5]對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)60°球形管路接頭的靜密封進(jìn)行研究，分析了密封面寬度、平均接觸壓力與擰緊力矩之間的關(guān)系。進(jìn)一步的，楊卓然和Van Zyl G[6-8]等人給出了接觸壓力和接觸長(zhǎng)度下限，認(rèn)為高于下限值才能滿足形成可靠的密封。上述的研究都忽略了靜密封接觸部位的表面形貌，實(shí)際上從微觀尺度來(lái)看，接觸面是由許多粗糙峰和凹陷谷構(gòu)成的不規(guī)則粗糙面[9]，從微觀角度進(jìn)行靜密封的接觸分析有助于進(jìn)一步提高對(duì)靜密封形成過(guò)程的理解。閆洋洋[10]采用多尺度有限元模型分析了卡套式接頭在擰緊過(guò)程中的密封狀態(tài)和特性變化。Patel H[11]假設(shè)法蘭墊片的表面由高度不規(guī)則的球形微凸體構(gòu)成，認(rèn)為密封性能取決于預(yù)緊力、流體壓力和彎矩等因素。Liua M[12]將靜密封兩表面等效為剛性表面與分形表面，并以此為基礎(chǔ)分析了泄漏機(jī)理。在獲得各影響因素對(duì)靜密封性能影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，研究者們希望從形成密封的原理出發(fā)，得到滿足靜密封性能要求的條件。Broadbent S R[13]提出逾滲理論來(lái)分析流體介質(zhì)的逾滲特性，為靜密封性能的評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)。所謂逾滲是指體系以外的一種介質(zhì)通過(guò)一定的路徑進(jìn)入體系內(nèi)的過(guò)程。該理論與流體自由擴(kuò)散的區(qū)別在于：認(rèn)為流體的運(yùn)動(dòng)不具有隨機(jī)性，而逾滲結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)性，結(jié)構(gòu)的形狀和分布決定了流體的運(yùn)動(dòng)方向。Bottiglione F和張彤[14-15]等人認(rèn)為密封界面并不是光滑的，當(dāng)粗糙面的接觸面積與光滑面的總面積之比（即接觸面積比）小于一定比例時(shí)就會(huì)出現(xiàn)臨界泄漏通道。進(jìn)一步的，史建成[16]利用種子單元擴(kuò)張的方法，計(jì)算得到出現(xiàn)臨界泄漏通道的接觸面積比值收斂于0.41。Ying Cui[17]建立粗糙表面的有限元接觸模型，計(jì)算得到整個(gè)密封面無(wú)泄漏通道對(duì)應(yīng)的接觸壓力，并將接觸壓力作為密封性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)靜密封部位充斥著工況惡劣的流體介質(zhì)，本文選取發(fā)動(dòng)機(jī)中應(yīng)用靜密封形式的管路接頭作為研究對(duì)象，開(kāi)展微觀尺度和宏觀尺度有限元接觸分析。首先通過(guò)建立靜密封微尺度接觸模型，得到接觸面積比和平均接觸壓力的關(guān)系，然后基于逾滲理論得到微尺度臨界平均接觸壓力（簡(jiǎn)稱臨界接觸壓力）這一性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將應(yīng)用該指標(biāo)分析得到的結(jié)論和試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。最后將該指標(biāo)應(yīng)用于宏觀尺度失效分析的評(píng)價(jià)當(dāng)中，分析預(yù)緊力、介質(zhì)壓力和材料搭配對(duì)管路接頭靜密封性能的影響，為發(fā)動(dòng)機(jī)管路接頭的裝配與使用提供理論指導(dǎo)。

1 基于逾滲理論的靜密封性能分析方法

1.1 靜密封表面的形貌模擬

粗糙面的三維形貌是無(wú)序的，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法來(lái)描述。提取表面的統(tǒng)計(jì)學(xué)信息，如形狀誤差、粗糙度特征和波紋度等[18]，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法擬合出表面形貌。本文參考相關(guān)文獻(xiàn)[9][18]認(rèn)為管路接頭的加工表面具有各向同性Gauss分布表面特征。構(gòu)建Gauss粗糙表面的關(guān)鍵步驟是建立Gauss數(shù)組內(nèi)各相鄰元素的空間相關(guān)性。Gauss數(shù)組內(nèi)每一點(diǎn)高度的概率服從Gauss分布，但這些點(diǎn)在空間上沒(méi)有相關(guān)性，需要依靠構(gòu)造自相關(guān)函數(shù)ACF來(lái)組成連續(xù)的表面，自相關(guān)函數(shù)描述了隨機(jī)數(shù)組內(nèi)每一點(diǎn)的空間分布。將尺寸為L(zhǎng)×L的正方形區(qū)域沿著x、y軸劃分為N×N個(gè)網(wǎng)格單元，所有單元節(jié)點(diǎn)的高度組成服從Gauss分布的二維數(shù)組z0，經(jīng)過(guò)式（1）的變換后數(shù)組z0成為具有連續(xù)性的數(shù)組z。

其中z0=θ·randn(N,N)，θ為數(shù)組z0的均方根，randn(N,N)為相關(guān)性等于0的二維Gauss數(shù)組。自相關(guān)函數(shù)ACF的表達(dá)式如（2）所示：

其中x和y為網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。cl為相關(guān)長(zhǎng)度，代表兩點(diǎn)相關(guān)性。FFT和FFT-1分別為快速傅里葉變換及其逆變換：

由于FFT對(duì)有限數(shù)組的變換存在截?cái)嗾`差，需要使用偏態(tài)和峰度對(duì)求得的隨機(jī)粗糙表面進(jìn)行驗(yàn)證。偏態(tài)Sk是描述統(tǒng)計(jì)分布對(duì)稱性的指標(biāo)，Gauss分布數(shù)組的偏態(tài)Sk=0，這意味著表面輪廓的粗糙峰和凹陷谷均勻分布。峰度Ku是對(duì)高度分布曲線振蕩程度的度量，Gauss分布數(shù)組的峰度Ku=3[23]。

1.2 逾滲理論

在無(wú)序系統(tǒng)中，構(gòu)成系統(tǒng)的各元素之間關(guān)聯(lián)程度變化，引起系統(tǒng)的某一特性發(fā)生階躍，逾滲描述的正是這一階躍現(xiàn)象[21]。由此可以看出適用逾滲理論處理的系統(tǒng)具有兩個(gè)特點(diǎn)（1）系統(tǒng)具有隨機(jī)性（2）系統(tǒng)的元素之間存在某種聯(lián)系。逾滲理論給復(fù)雜、無(wú)序空間內(nèi)的連通性相關(guān)問(wèn)題的研究提供了新的思路。逾滲理論認(rèn)為固體域的結(jié)構(gòu)形狀決定了流體的流動(dòng)方向，但實(shí)際上流體會(huì)導(dǎo)致固體域發(fā)生微小形變，從而導(dǎo)致流體的流動(dòng)區(qū)域發(fā)生改變。當(dāng)忽略流體域?qū)腆w域的作用，逾滲理論可以處理無(wú)序系統(tǒng)的連通性問(wèn)題。

微尺度下靜密封的兩個(gè)接觸表面由如圖2a)所示的許多粗糙峰和凹陷谷構(gòu)成，不平整的兩表面存在如圖2b)所示的黑色接觸部位和白色未接觸部位，未接觸的部位形成空隙，連續(xù)的空隙構(gòu)成了流體介質(zhì)的泄漏通道，未接觸部位的數(shù)量越多意味著密封部位發(fā)生泄漏的可能性越大，尋找泄漏通道為靜密封的性能分析提供了思路。從微尺度觀察密封接觸面的每一區(qū)域，區(qū)域內(nèi)是否發(fā)生接觸存在隨機(jī)性，因此靜密封滿足逾滲理論的假設(shè)條件，逐一分析粗糙表面的未接觸點(diǎn)就能夠判斷是否存在連通的泄漏通道。

圖2 微尺度下靜密封接觸部位示意圖 Fig.2 Schematic diagram of the static seal contact part at the microscale

將密封界面離散成N×N個(gè)如圖3所示的正方形網(wǎng)格單元，每一個(gè)網(wǎng)格單元只有兩種狀態(tài)，分別是黑色代表的“占有狀態(tài)”和綠色代表的“空狀態(tài)”，并且每個(gè)網(wǎng)格單元被占有的概率均為γ，則為空狀態(tài)的概率為1-γ。參考史建成[16]對(duì)靜密封界面狀態(tài)演變特性的研究，介質(zhì)以四連通的方式流動(dòng)。假設(shè)粗糙界面的微尺度接觸面積為A，宏觀尺度接觸面積為An，接觸面積比α=A/An,其中α∈[0,1]。當(dāng)α≈0時(shí)，存在貫穿入口至出口的綠色網(wǎng)格單元簇，這意味著界面發(fā)生泄漏，而隨著α的增大，介質(zhì)能夠流過(guò)的綠色網(wǎng)格單元數(shù)量不斷減少，因此存在臨界接觸面積αc，當(dāng)α＜αc時(shí)界面不存在貫穿的流動(dòng)通道。文獻(xiàn)[22]中分析了當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量趨近于無(wú)限大時(shí)，界面不存在泄漏通道的臨界接觸面積比收斂于αc≈0.41。

圖3 逾滲理論示意圖 Fig.3 Schematic diagram of percolation theory

1.3 靜密封性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)靜密封性能的指標(biāo)來(lái)源于接觸面的信息，包括接觸面的應(yīng)力和長(zhǎng)度。接觸壓力起到構(gòu)建密封區(qū)域的作用，兩表面從初始接觸到發(fā)生擠壓變形的過(guò)程中接觸壓力不斷升高，一般認(rèn)為接觸壓力達(dá)到臨界值即可滿足密封的要求。如圖4所示為計(jì)算靜密封性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的框架圖，在宏觀尺度接觸部位內(nèi)選取局部區(qū)域作為微尺度的研究對(duì)象，找到滿足逾滲理論要求的臨界接觸面積比，然后得到面積比對(duì)應(yīng)的微尺度臨界平均接觸壓力。由于微觀尺度模型的面積遠(yuǎn)小于宏觀尺度接觸面的面積，可將微觀區(qū)域視為宏觀尺度接觸面上的某一點(diǎn)，因此微尺度平均接觸壓力等于宏觀尺度接觸面上任意一點(diǎn)的接觸壓力P，當(dāng)宏觀尺度接觸面上某一點(diǎn)的接觸壓力時(shí)，流體介質(zhì)無(wú)法通過(guò)該點(diǎn)，考慮到管路接頭具有中心軸對(duì)稱的特征，則該點(diǎn)經(jīng)過(guò)中心軸旋轉(zhuǎn)之后構(gòu)成了一條阻礙介質(zhì)泄漏的密封線。

圖4 靜密封性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的框架圖 Fig.4 Frame diagram of static sealing performance evaluation index

2 靜密封有限元接觸模型

2.1 微觀尺度接觸模型

以液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中常用37°DN6球形管路接頭作為靜密封性能分析的研究對(duì)象，選取宏觀尺度兩接觸面的部分區(qū)域建立微尺度接觸模型，計(jì)算微尺度平均接觸壓力。管路接頭的表面粗糙度Ra=1.6um，各輸入?yún)?shù)如表1所示。

計(jì)算得到粗糙表面的偏態(tài)Skz=-0.0052,峰度Kuz=2.9985，與Gauss分布特征表面的理論值相比誤差都在1%以內(nèi)，因此認(rèn)為生成的隨機(jī)表面服從Gauss分布。將隨機(jī)粗糙表面的高度坐標(biāo)z導(dǎo)入軟件Comsol中，通過(guò)插值擬合出連續(xù)的表面，再經(jīng)過(guò)建模軟件的處理得到如圖5所示上表面粗糙的長(zhǎng)方體。

表1 Gauss分布粗糙面輸入?yún)?shù) Table1 Gauss distribution rough surface input parameters

考慮到接觸模型仿真的計(jì)算規(guī)模，從尺寸為250μm×250μm的粗糙體中截取尺寸為100μm×100μm的區(qū)域作為仿真對(duì)象。在軟件ANSYS中對(duì)如圖6所示兩個(gè)表面粗糙的長(zhǎng)方體進(jìn)行有限元接觸仿真，上長(zhǎng)方體（上體）和下長(zhǎng)方體（下體）的材料均為雙線性各向同性硬化本構(gòu)的不銹鋼，材料的泊松比υ=0.31，彈性模量E=1.93GPa，屈服極限σs=210MPa，切線模量G=180MPa。采用四面體網(wǎng)格劃分，非接觸區(qū)域的網(wǎng)格單元類型為Solid187，上體的粗糙面作為接觸面，單元尺寸為0.7μm，網(wǎng)格單元類型為Conta174。下體的粗糙面作為目標(biāo)面，單元尺寸為0.9μm，網(wǎng)格單元類型為Targe170，仿真模型的網(wǎng)格單元總數(shù)為616997。固定下體的底面，為了使得計(jì)算過(guò)程更易于收斂，在上體的上平面施加強(qiáng)制位移，上體和下體之間為無(wú)摩擦接觸，采用無(wú)摩擦支撐分別約束上、下體的其它四個(gè)側(cè)面。

圖5 隨機(jī)粗糙表面模擬結(jié)果圖 Fig.5 Random rough surface simulation result

2.2 宏觀尺度接觸模型

如圖7所示為管路接頭的結(jié)構(gòu)示意圖，由球形接頭、接頭體和螺母三部分構(gòu)成，其中螺母對(duì)球形接頭的后端面施加軸向預(yù)緊力，使得接頭體和球形接頭靠近、接觸直至相互擠壓。由此可知管路接頭的靜密封區(qū)域是球形接頭和接頭體的擠壓區(qū)域，因此在仿真的過(guò)程中忽略螺母具體結(jié)構(gòu)，僅保留其預(yù)緊功能。如圖7所示為管路接頭的主要結(jié)構(gòu)尺寸實(shí)體圖，包括通徑d，接頭體的錐面角β和球頭半徑R。

圖6 微尺度接觸模型及其邊界條件 Fig.6 Microscale contact model and its boundary conditions

圖7 管路接頭關(guān)鍵尺寸示意圖 Fig.7 Schematic diagram of key dimensions of pipe joint

管路接頭在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)工作時(shí)受到的載荷是軸對(duì)稱的，因此可將三維模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型。如圖8所示為管路接頭宏觀尺度接觸模型，采用平面單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，非接觸區(qū)域的單元類型為Plane182，球形接頭的球面是接觸面，其單元類型為Conta172，接頭體的錐面為目標(biāo)面，其單元類型為Trage169。本文主要關(guān)注接觸部位的信息，因此對(duì)接觸部位的網(wǎng)格加密處理，球形接頭和接頭體的加密尺寸分別為15μm、30μm。固定約束接頭體的下端面，在球形接頭的左端面施加軸向預(yù)緊力，接觸面之間為摩擦接觸，摩擦系數(shù)取為0.15，并且在管路接頭的內(nèi)部分散著流體壓力載荷。

3 結(jié)果與討論

3.1 Gauss粗糙面參數(shù)對(duì)幾何形貌的影響

圖9所示為0.25mm×0.25mm區(qū)域內(nèi)，不同粗糙度Ra和自相關(guān)長(zhǎng)度cl對(duì)應(yīng)的粗糙面高度分布云圖，高度值越大的區(qū)域顏色越深。對(duì)比圖9（a）-圖9（c），當(dāng)表面粗糙度相等時(shí)，隨著自相關(guān)長(zhǎng)度的增加，不同顏色區(qū)域的面積不斷升高，這說(shuō)明自相關(guān)長(zhǎng)度能夠增加粗糙表面的連續(xù)性。對(duì)比圖9（b）與圖9（d），當(dāng)表面的自相關(guān)長(zhǎng)度相等時(shí)，可以看出隨著表面粗糙度的增加，表面擁有更大的高度幅值和高度差，這意味著粗糙度較大的表面不平坦。

圖8 宏觀尺度接觸模型及其邊界條件 Fig.8 Macroscale contact model and its boundary conditions

圖9 不同粗糙度和自相關(guān)長(zhǎng)度的表面高度分布云圖 Fig.9 Surface height distribution cloud images with different roughness and autocorrelation length

3.2 密封性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的取值

圖10 平均接觸壓力與接觸面積比的關(guān)系曲線 Fig.10 The relationship between the average contact stress and the contact area ratio

圖11所示為兩種不同接觸面積比對(duì)應(yīng)的密封面接觸情況，隨著接觸面積比α的增大，圖中接觸區(qū)域的面積也隨之增大。如圖11（a）所示，α=0.3的區(qū)域內(nèi)存在大量未接觸的空白區(qū)域，這些連通的空白區(qū)域會(huì)構(gòu)成泄漏通道，而圖11（b）中α=0.41的區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯的泄漏通道。綜上可知，由不銹鋼材料加工而成的靜密封部位，只有當(dāng)宏觀尺度接觸區(qū)域的接觸壓力P≥520MPa時(shí)才能形成良好的密封效果。

對(duì)37°DN6球形管路接頭開(kāi)展氣密性試驗(yàn)，將試驗(yàn)件浸入水中，用空氣給試驗(yàn)件緩慢加壓到45MPa高壓，保持5min，試驗(yàn)過(guò)程中觀察接頭連接處是存在氣泡，以及氣泡的數(shù)量。7組試驗(yàn)的結(jié)果表明，當(dāng)預(yù)緊扭矩為30～35N·m之間時(shí)，管路接頭無(wú)氣泡冒出。參考文獻(xiàn)[5]的方法計(jì)算得到30N·m扭矩對(duì)應(yīng)的軸向預(yù)緊力為9kN左右，該預(yù)緊條件下接觸面的最大接觸壓力P=623MPa,大于微尺度臨界平均接觸壓力，利用本文提出的密封性能評(píng)價(jià)方法得到的結(jié)論和試驗(yàn)一致。

3.3 預(yù)緊力對(duì)密封性能的影響

預(yù)緊力F對(duì)靜密封區(qū)域的形成起著決定性的作用。圖12為預(yù)緊過(guò)程中接觸長(zhǎng)度和接觸區(qū)域Von Mises等效應(yīng)力的變化規(guī)律。管接頭預(yù)緊過(guò)程中接觸長(zhǎng)度隨預(yù)緊力線性增加，這表明預(yù)緊力能夠增強(qiáng)接頭的密封性能。在預(yù)緊初始階段F=0.5kN 時(shí)，從接觸部位的等效應(yīng)力云圖可以看出，接觸部位的最大等效應(yīng)力σmax=220MPa ，超過(guò)材料的屈服極限，這是因?yàn)榍蛎婧湾F面的初始接觸類型是點(diǎn)、線接觸，接觸部位存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象。隨著預(yù)緊力的增大，接觸部位變成線、線接觸，高應(yīng)力區(qū)面積不斷增加，但高應(yīng)力區(qū)內(nèi)的球面和錐面將發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的塑性變形，塑性變形削弱了管路接頭的回彈能力，因此需要找到密封要求對(duì)應(yīng)的最小預(yù)緊力，減小預(yù)緊力對(duì)密封結(jié)構(gòu)的破壞。如圖13所示為預(yù)緊過(guò)程中的接觸壓力分布情況，隨著預(yù)緊力的增大，接觸壓力的幅值和分布長(zhǎng)度不斷增加，并且高接觸壓力區(qū)主要集中在接觸部位，當(dāng)F=3kN時(shí)接觸壓力P＞520MPa，這意味著能夠形成密封區(qū)域。

圖11 不同接觸面積比的密封面接觸情況 Fig.11 The contact situation of the sealing surface with different contact area ratio

圖12 預(yù)緊過(guò)程中接觸長(zhǎng)度和應(yīng)力面積Fig.12 Contact length and stress area during assembly process

圖13 預(yù)緊過(guò)程中接觸壓力Fig.13 Contact pressure during assembly process

3.4 介質(zhì)壓力對(duì)密封性能的影響

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的流體介質(zhì)處于超高壓狀態(tài)，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)靜密封的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，分析介質(zhì)壓力pf對(duì)管路接頭密封部位的影響。在上述預(yù)緊力對(duì)管路接頭密封性能的分析過(guò)程中，認(rèn)為無(wú)介質(zhì)壓力情況下預(yù)緊力F=3kN即可滿足管路接頭的密封要求。選取F=3kN,介質(zhì)壓力pf∈ [0,40]MPa 的工況分析介質(zhì)壓力對(duì)管路接頭密封性能的影響。如圖14所示接觸部位的長(zhǎng)度和應(yīng)力隨介質(zhì)壓力的變化情況，當(dāng)pf∈ [0,15]MPa 時(shí)，接觸長(zhǎng)度保持不變，高應(yīng)力區(qū)面積減小，高應(yīng)力區(qū)的形狀也由無(wú)介質(zhì)壓力時(shí)的橢圓形變得不規(guī)則，兩者的最大等效應(yīng)力都位于靠近流體介質(zhì)的一側(cè)，并且球面的高應(yīng)力區(qū)面積比錐面的減少更多。當(dāng)pf∈[20,30]MPa 時(shí)接觸長(zhǎng)度減少3%,高應(yīng)力區(qū)的形狀不變但面積進(jìn)一步減小，此時(shí)兩接觸面發(fā)生微小滑移運(yùn)動(dòng)。介質(zhì)壓力pf＞30MPa 的接觸長(zhǎng)度急劇減小，pf=30MPa 對(duì)應(yīng)的接觸長(zhǎng)度減小16%，這意味著兩接觸表面發(fā)生的顯著相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖14 不同介質(zhì)壓力的接觸長(zhǎng)度和應(yīng)力面積Fig.14 Contact length and stress area for different media pressures

如圖15所示為不同介質(zhì)壓力的接觸壓力分布變化情況，隨著介質(zhì)壓力的升高，密封區(qū)域的接觸壓力幅值和分布范圍都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)榻橘|(zhì)壓力抵消了一部分預(yù)緊力的作用，導(dǎo)致密封部位的性能降低，管路接頭在預(yù)緊力F= 3kN的條件下可以承受pf∈[0,10]MPa 的壓力，當(dāng)介質(zhì)壓力過(guò)大時(shí)只能通過(guò)增加預(yù)緊力的方式來(lái)提高管路接頭的密封性能。

圖15 不同介質(zhì)壓力的接觸壓力Fig.15 Contact pressure for different media pressures

3.5 材料搭配的影響

球形接頭的材料為不銹鋼，接管嘴的材料分別為GH4169、鈦合金、不銹鋼和鋁合金，比較不同材料對(duì)管路接頭密封性能的影響，如表2所示為相關(guān)的材料參數(shù)，材料本構(gòu)均為雙線性各向同性硬化。如圖16所示為不同材料在預(yù)緊力作用下的接觸長(zhǎng)度變化，當(dāng)預(yù)緊力F＜3kN時(shí)，鋁合金的接觸長(zhǎng)度明顯高于其它材料的接觸長(zhǎng)度，這是因?yàn)殇X合金的彈性模量在所有材料中最小，接觸面在擠壓的過(guò)程中容易發(fā)生變形，因此發(fā)生接觸的區(qū)域更多。當(dāng)F=8kN時(shí)，鈦合金、不銹鋼和鋁合金的接觸長(zhǎng)度相等，相比之下，GH4169的接觸長(zhǎng)度比其他三種材料少5.7%。保持預(yù)緊力F=7kN不變，如圖17所示為預(yù)緊力相等的條件下，四種材料對(duì)應(yīng)的接觸壓力分布。屈服極限更大的GH4169和鈦合金，它們的接觸壓力幅值高于屈服極限較低的鋁合金與不銹鋼，并且接管嘴和球形接頭材料相同時(shí)的接觸壓力最低。因此為了提高管路接頭的密封性能，推薦使用不同材料搭配的接管嘴和球形接頭。

表2 材料參數(shù) Table2 Material parameters

圖16 不同材料的接觸長(zhǎng)度Fig.16 Contact length of different materials

圖17 不同材料的接觸壓力Fig.17 Contact pressure of different materials

4 結(jié)論

1）具有Gauss分布特征的隨機(jī)粗糙表面，隨著自相關(guān)函數(shù)的增加，表面的連續(xù)性增強(qiáng)。粗糙度越大的隨機(jī)表面具有更大的高度差。建立表面粗糙度Ra=1.6um，自相關(guān)長(zhǎng)度cl=3um的兩不銹鋼粗糙表面有限元接觸模型，得到在臨界接觸面積αc=0.41對(duì)應(yīng)的臨界接觸壓力=520MPa,并將作為靜密封性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用該指標(biāo)判斷密封性能和45MPa高壓氣密試驗(yàn)得到的結(jié)果相吻合。

2）選取液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)DN6不銹鋼球形管路接頭的密封區(qū)域作為研究對(duì)象，建立宏觀尺度有限元接觸模型。在無(wú)壓力載荷的條件下，隨著預(yù)緊力的增大，接觸部位的高應(yīng)力區(qū)面積不斷升高，接觸壓力的分布范圍和接觸長(zhǎng)度也在增加，當(dāng)預(yù)緊力F=3kN時(shí)能夠滿足密封性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。介質(zhì)壓力對(duì)預(yù)緊力起到抵消的作用，并且改變了接觸部位的應(yīng)力分布形狀，使接觸壓力和接觸長(zhǎng)度下降，預(yù)緊力F=3kN的接頭可承受[0,10]MPa范圍內(nèi)的介質(zhì)壓力。不同屈服強(qiáng)度的材料搭配可以提高管路接頭的密封性能。